陳雪榮，吳新兵，何仁，胡東海

（1.蘇州海格新能源汽車電控系統(tǒng)科技有限公司，江蘇蘇州 215000；2.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

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城際混合動力客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及耗能特性影響因素分析?

陳雪榮1，吳新兵1，何仁2，胡東海2

（1.蘇州海格新能源汽車電控系統(tǒng)科技有限公司，江蘇蘇州 215000；2.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

摘要：針對城際混合動力客車因其特殊運行工況造成的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法缺乏深入研究的問題，首先根據(jù)滿足高速循環(huán)工況運行的動力性指標，提出城際混合動力客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，然后分析了混合動力系統(tǒng)主要參數(shù)對系統(tǒng)能耗的影響。結(jié)果表明，由于城際混合動力客車經(jīng)常運行在高速循環(huán)工況，在進行混合動力系統(tǒng)匹配設(shè)計時，變速器的超速擋速比必須與后橋主減速比匹配，以保證發(fā)動機工作在最佳效率區(qū)域，降低整車燃油消耗；較大的變速器低速擋速比有利于提高電機運行效率，并降低系統(tǒng)電耗和成本；對于不同配置的城際混合動力客車，變速器的擋位需合理匹配，變速器擋位數(shù)量的增加對于系統(tǒng)能耗的提升存在瓶頸。

關(guān)鍵詞：汽車；城際混合動力客車；混合動力系統(tǒng)；參數(shù)匹配；能耗特性

混合動力汽車具備了未來汽車發(fā)展所需求的4個基本要素，即動力性、燃油經(jīng)濟性、清潔環(huán)保性、經(jīng)濟實用性。為了實現(xiàn)上述技術(shù)目標，混合動力汽車需要采用燃油經(jīng)濟性佳、排放性能優(yōu)的發(fā)動機，選擇效率高、扭矩密度最大的驅(qū)動電機，采用充放電能力強、功率密度大的動力電池，提高整車控制、整車能量管理和整車熱管理技術(shù)。

動力系統(tǒng)參數(shù)匹配是混合動力汽車整車設(shè)計和開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)，需根據(jù)整車的設(shè)計指標對混合動力系統(tǒng)的主要部件進行選型匹配和參數(shù)優(yōu)化，混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法的優(yōu)劣會直接影響整車動力性和燃油經(jīng)濟性。目前國內(nèi)外對于混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法的研究已日趨完善，主要分為3種：1）以整車動力性為主要目標進行混合動力系統(tǒng)匹配設(shè)計，借鑒傳統(tǒng)燃油汽車的匹配設(shè)計方法，根據(jù)整車的最高速度、加速時間及爬坡度等動力性能指標要求確定混合動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的主要參數(shù)。2）以燃油經(jīng)濟性為目標進行動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，針對混聯(lián)式混合動力汽車，Zhang X.等分析了離合器個數(shù)與系統(tǒng)工作模式之間的關(guān)系，以燃油經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，采用動態(tài)規(guī)劃的方法對離合器個數(shù)進行優(yōu)化。3）以整車多種性能為目標進行混合動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，采用遺傳算法、模擬退火及粒子群優(yōu)化等多種優(yōu)化算法，以燃油經(jīng)濟性為目標，以整車動力性為約束條件，對驅(qū)動電機、動力電池、AMT變速器等動力系統(tǒng)主要部件參數(shù)進行優(yōu)化。

當前，混合動力汽車推廣應(yīng)用的難點在于其絕對成本過高。相比于傳統(tǒng)燃油汽車，混合動力汽車需安裝動力電池、高壓控制系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)等新能源部件。研究混合動力系統(tǒng)匹配設(shè)計方法是解決該難題的重要一環(huán)。該文以城際混合動力客車為研究對象，針對城際混合動力客車因特殊運行工況造成其動力系統(tǒng)匹配方法缺乏深入研究的問題，根據(jù)滿足高速循環(huán)工況運行需求的動力性指標給出城際混合動力客車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計方法，并分析動力系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)能耗的影響，為城際混合動力客車整車控制策略的研究及混合動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究提供理論基礎(chǔ)。

1　城際混合動力客車簡介

在大型車輛上推廣應(yīng)用混合動力系統(tǒng)以拓寬混合動力系統(tǒng)的應(yīng)用范圍是混合動力技術(shù)發(fā)展的一大趨勢，有助于促進混合動力系統(tǒng)應(yīng)用范圍的拓展。城際客車主要用于滿足城市之間載客需求，城際客車混合動力化對于節(jié)能減排、提高乘客舒適性具有重要意義。

城際混合動力客車主要運行在高速循環(huán)工況。如表1所示，相比于城市循環(huán)工況，高速循環(huán)工況中怠速時間比和制動頻繁程度均有大幅度減小，混合動力系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢被弱化。因此，城際混合動力客車的開發(fā)不能直接套用城市混合動力公交客車的經(jīng)驗。

表1　城市循環(huán)工況與高速循環(huán)工況主要參數(shù)對比

從降低成本的角度出發(fā)，城際混合動力客車宜采用并聯(lián)混動的底盤結(jié)構(gòu)形式。該文以單軸并聯(lián)式帶AMT混合動力系統(tǒng)為研究對象，其主要動力系統(tǒng)部件為發(fā)動機、驅(qū)動電機、變速器和動力電池（如圖1所示）。

圖1　城際混合動力客車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2　城際混合動力客車參數(shù)匹配

根據(jù)城際混合動力客車的使用環(huán)境，對整車動力性能作如下要求：最高車速為120 km/h；0～50 km/h加速時間小于30 s；50～80 km/h加速時間小于40 s；能以10 km/h的速度爬上20%的坡，連續(xù)爬坡時間大于3 min。

2.1發(fā)動機匹配設(shè)計

2.1.1峰值功率

根據(jù)整車動力性能需求，城際混合動力客車的最高行駛速度需達到120 km/h，發(fā)動機的峰值功率應(yīng)滿足最高車速的要求。假設(shè)車輛勻速行駛，沒有坡度阻力和加速阻力，發(fā)動機峰值功率的表達式為：

式中：Ft為車輛的驅(qū)動力（N）；umax為車輛的最高行駛速度（m/s）；G為車輛的總重量（N）；fR為滾動阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積（m2）；ρ為空氣密度。

考慮到附件需要消耗功率20 k W，發(fā)動機的最大功率選為187.9 k W。

2.1.2額定功率

如表1所示，當城際混合動力客車運行在高速循環(huán)工況時，其穩(wěn)定行駛最高速度一般為80 km/h，該時間段內(nèi)主要為發(fā)動機進行驅(qū)動，由驅(qū)動電機進行“削峰填谷”，發(fā)動機的額定功率要滿足穩(wěn)定行駛最高速度需求。發(fā)動機額定功率表達式為：

式中：ua為車速（m/s）。

考慮到附件消耗功率20 k W，發(fā)動機的額定功率選為96.5 k W。

2.1.3最高轉(zhuǎn)速

城際混合動力客車的最高速度決定發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速。根據(jù)最高車速為120 km/h，假設(shè)此時變速器處于直接擋，則發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速的表達式為：

式中：i0為主減速比；r為車輪滾動半徑（m）。

按式（3）計算，得到發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速為2 966 r/min。

2.1.4峰值扭矩

對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛，需根據(jù)爬坡和加速能力計算得到發(fā)動機的峰值扭矩。但在城際混合動力客車中，驅(qū)動電機將提供主要的爬坡和加速驅(qū)動力，發(fā)動機和驅(qū)動電機可滿足加速能力的需求。因此，無需計算發(fā)動機的峰值扭矩。

2.2驅(qū)動電機匹配設(shè)計

2.2.1峰值功率

驅(qū)動電機的峰值功率根據(jù)最大爬坡性能確定。設(shè)計要求車輛能以10 km/h的速度爬上20%的坡，由于車速較低，計算過程中忽略空氣阻力、加速阻力。驅(qū)動電機峰值功率的表達式如下：

式中：α為坡度。

2.2.2峰值扭矩

驅(qū)動電機的峰值扭矩也由車輛的爬坡性能決定。由于車速較低，計算中忽略空氣阻力；由于勻速行駛，沒有加速阻力。由此得驅(qū)動電機峰值扭矩的表達式如下：

2.2.3最高轉(zhuǎn)速

車輛的最高速度決定驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速。車輛最高速度為120 km/h，當變速器處于直接擋時，驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速的表達式如下：

計算得到電機的最高轉(zhuǎn)速為2 966 r/min。

2.3變速器匹配設(shè)計

變速器速比選擇與汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性有密切的關(guān)系。就動力性而言，變速器擋位數(shù)多，增加了發(fā)動機在其最大功率附近工作的機會，提高了汽車的加速與爬坡能力；就燃油經(jīng)濟性而言，擋位數(shù)越多，發(fā)動機在低燃油消耗率區(qū)工作的可能性更大，能降低油耗。同時對變速箱的擋位數(shù)和速比進行匹配設(shè)計時，必須兼顧車輛的最高速度及最大爬坡度的要求。變速器擋位速比確定步驟如下：

（1）根據(jù)最大爬坡度確定低速擋速比：

（2）根據(jù)穩(wěn)定行駛最高速度確定高速擋速比：

式中：nm為驅(qū)動電機軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

（3）進行二、三擋等其他擋位速比設(shè)計，設(shè)計原則是保證發(fā)動機工作在其最佳經(jīng)濟區(qū)域；同時為了保證換擋順利，要求各擋位之間的傳動比值不超過1.8。

2.4動力電池匹配設(shè)計

2016年新能源汽車國家補貼標準規(guī)定插電式混合動力客車純電續(xù)駛里程必須大于50 km。等速工況下動力電池釋放電量的計算公式為：

式中：SOC為動力電池的荷電狀態(tài)；QN為動力電池的額定容量（Ah）；U為動力電池的開路電壓（V）。

在車輛以40 km/h勻速行駛的情況下，驅(qū)動電機需輸出的力矩為：

式中：ηT為傳動系統(tǒng)的機械效率。

根據(jù)車輛行駛速度和驅(qū)動電機需求力矩，通過查表得到電機的效率ηm，同時計算得到車輛的驅(qū)動功率，則目標續(xù)駛里程下需要的動力電池容量為：

式中：Sobj為目標續(xù)駛里程（km）。

從成本角度考慮，在滿足城際混合動力客車最低純電續(xù)駛里程的前提下，計算得到動力電池的能量為22.3 k W·h。

3　混合動力系統(tǒng)參數(shù)對能耗特性的影響

表2　城際混合動力客車動力傳動方案

由于變速器低速擋的速比與驅(qū)動電機的峰值扭矩直接相關(guān)，低速擋的速比越小，滿足相同爬坡能力的情況下，驅(qū)動電機需要的峰值扭矩越大。同時為了考察變速器擋位數(shù)和速比對城際混合動力客車能耗特性的影響，設(shè)計表2所示3種變速器+驅(qū)動電機的城際混合動力客車動力系統(tǒng)方案，考察3種方案的能耗特性。

如圖2所示，典型的高速循環(huán)工況沒有包括城際客車從車站出發(fā)行駛到高速公路入口這一時間段，而是直接從高速公路入口開始計時，并且持續(xù)時間僅765 s（12 min）；而一般城際客車在高速公路上的持續(xù)行駛時間超過2 h，這表明使用該高速循環(huán)工況進行仿真，不同方案的油耗和電耗細微差別均需要特別注意。

圖2　高速循環(huán)工況下時間與速度曲線

3.1系統(tǒng)油耗影響因素分析

如表2所示，方案一的油耗略大于方案三的油耗，而方案二的油耗明顯大于另外兩種方案。造成3種方案油耗存在差異的原因是方案二中發(fā)動機的工作點嚴重偏離了發(fā)動機的最佳工作區(qū)域，而方案三的發(fā)動機相比于方案一的發(fā)動機能更好地保持在最佳經(jīng)濟區(qū)域（如圖3～5所示）。方案二的發(fā)動機不能工作在最佳經(jīng)濟區(qū)域的原因是其變速器沒有超速擋（3種方案變速器換擋曲線如圖6～8所示）。這說明對于運行在高速循環(huán)工況的城際混合動力客車，變速器的超速擋必須與主減速比進行匹配以保證發(fā)動機工作在最佳效率區(qū)域。

圖3　發(fā)動機工作點分布（方案一）

圖4　發(fā)動機工作點分布（方案二）

圖5　發(fā)動機工作點分布（方案三）

圖6　變速器換擋曲線（方案一）

3.2系統(tǒng)電耗影響因素分析

如表2所示，方案三的動力電池的能量消耗遠遠低于方案一和方案二，圖9～11也驗證了這一點。如圖12～14所示，系統(tǒng)電量消耗過大與驅(qū)動電機的負荷率較低有關(guān)，驅(qū)動電機的負荷率低意味著電機效率較低。方案一中驅(qū)動電機的負荷率最低，驅(qū)動電機的工作點偏離最佳效率區(qū)域，而方案三的驅(qū)動電機能很好地覆蓋最佳效率區(qū)域。造成這種情況的主要原因是變速器低速擋的選擇，方案一中變速器低速擋速比較小，需要峰值扭矩更大的驅(qū)動電機，使驅(qū)動電機負荷率降低。同時，圖12～14也表明對于該文選擇的目標車型而言，增加變速器的擋位對于增加整車燃油經(jīng)濟性沒有實際意義，4擋變速箱的低速擋已經(jīng)可以滿足需求。

圖7　變速器換擋曲線（方案二）

圖8　變速器換擋曲線（方案三）

圖9　動力電池SOC隨時間變化曲線（方案一）

圖10　動力電池SOC隨時間變化曲線（方案二）

4　結(jié)論

（1）城際混合動力客車經(jīng)常運行在高速循環(huán)工況，在進行混合動力系統(tǒng)匹配設(shè)計時，變速器的超速擋速比必須與后橋主減速比進行匹配，以保證發(fā)動機工作在最佳效率區(qū)域，有效降低整車燃油消耗。

圖11　動力電池SOC隨時間變化曲線（方案三）

圖12　驅(qū)動電機工作點分布（方案一）

圖13　驅(qū)動電機工作點分布（方案二）

圖14　驅(qū)動電機工作點分布（方案三）

（2）變速器低速擋速比選擇會直接影響驅(qū)動電機的使用效率，進而影響整車的電量消耗，選擇較大的低速擋速比有利于降低驅(qū)動電機峰值扭矩需求，進而提高驅(qū)動電機運行效率、降低系統(tǒng)電耗和成本。

（3）對于不同配置的城際混合動力客車，變速器的擋位數(shù)量需合理匹配，變速器擋位數(shù)量不合理地增加對于增加整車燃油經(jīng)濟性沒有實際意義，反而會增加成本和整車布置難度。

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所選用的目標車型的整車參數(shù)如下：總質(zhì)量為17 000 kg；主減速比為4.875；滾動半徑為0.525 m；迎風(fēng)面積為7 m2；風(fēng)阻系數(shù)為0.6；滾動阻力系數(shù)為0.01；旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)為1.1。

中圖分類號：U469.7

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0001-06

基金項目：?國家自然科學(xué)基金資助項目（51275212）

收稿日期：2015-12-08